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交流電動(dòng)機的無(wú)源性控制與擾動(dòng)抑制技術(shù)
摘 要：隨著(zhù)交流電動(dòng)機被廣泛運用在各式各樣的領(lǐng)域中，交流電動(dòng)機的控制技術(shù)就受到大家的重視。作為一種非線(xiàn)性的系統，交流電動(dòng)機具有高階、強耦合、參數時(shí)變等特點(diǎn)，屬于復雜系統，交流電動(dòng)機自適應擾動(dòng)抑制方法與其無(wú)源性控制相結合，使得電動(dòng)機的實(shí)際仿真效果、外部擾動(dòng)環(huán)境下穩定等性能都較高，因此，交流電動(dòng)機的無(wú)源性控制與擾動(dòng)抑制技術(shù)作為國內外研究的重點(diǎn)。本文就交流電動(dòng)機的無(wú)緣性控制原理、擾動(dòng)抑制原理展開(kāi)分析，就其技術(shù)進(jìn)行研究。
關(guān)鍵詞：交流電動(dòng)機 擾動(dòng)抑制技術(shù) 自適應控制 無(wú)源性控制
交流電動(dòng)機主要是將交流電的電能轉換為機械能的一種機器，而基于交流電動(dòng)機的電氣傳動(dòng)系統被廣泛運用在各行各業(yè)中，這也給交流電動(dòng)機自適應性提出了更大的挑戰。隨著(zhù)交流電動(dòng)機被運用在多種多樣的領(lǐng)域中，其具有的高階、多變量以及強耦合、參數時(shí)變等非線(xiàn)性系統特征表現得非常明顯�；陔姍C端口的受控研究，下文針對目前國內外對交流電動(dòng)機的無(wú)源性控制和擾動(dòng)抑制技術(shù)現狀進(jìn)行分析，就其原理展開(kāi)研究。
一、國內外對交流電動(dòng)機控制技術(shù)的相關(guān)研究現狀
1.1 交流電動(dòng)機速度控制主電路與控制電路
事實(shí)上，交流電動(dòng)機的速度控制主要以大功率電力電子器件為主，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機控制理論被廣泛使用，這也給交流電機拖動(dòng)的開(kāi)發(fā)提供了良好的環(huán)境和基礎。目前，控制電路主要還是以DSP和單片機為主，電子控制器的數字化控制發(fā)展使得設備的性能大大提升，控制算法也得到了進(jìn)一步的優(yōu)化，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等復雜控制也逐漸被應用起來(lái)。作為電機調速的重要組成部分，智能功率模板成為了新一代的主控電路，通過(guò)將功率開(kāi)關(guān)期間和驅動(dòng)電路進(jìn)行集成，內設過(guò)電壓、過(guò)電流等故障檢測電路，將檢測信號傳輸到CPU中。它由高速低功耗的管芯與優(yōu)化門(mén)極驅動(dòng)電路、快速保護電路等部件構成，能夠在發(fā)生負載事故或者使用不恰當時(shí)，也能保證智能功率模塊安全穩定運行。
1.2 交流電動(dòng)機的控制策略
早前的交流傳動(dòng)屬于不可調傳動(dòng)，而隨著(zhù)電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流可調傳動(dòng)也逐漸開(kāi)始廣泛起來(lái)。常用的穩態(tài)模型控制方案主要由開(kāi)環(huán)恒V/F比控制、閉環(huán)轉差頻率控制等。且前者是一種開(kāi)環(huán)的控制方式，與變壓變頻控制不同，其不對速度進(jìn)行反饋控制，而閉環(huán)轉差屬于直接轉矩控制，因其實(shí)現了對電動(dòng)機轉矩的控制，從而擁有較強的動(dòng)態(tài)性能，系統穩態(tài)誤差也較小�；诮涣麟妱�(dòng)機動(dòng)態(tài)模型的控制方法分為矢量控制和直接轉矩控制兩種，矢量控制實(shí)現了磁鏈與轉矩的解耦，可以進(jìn)行獨立控制，而直接轉矩控制的計算量小、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良。
1.3 交流電動(dòng)機非線(xiàn)性控制方法
前面說(shuō)到，交流電動(dòng)機是一種非線(xiàn)性的對象，而無(wú)論是矢量控制還是直接轉矩控制，都不能很好的對其動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行描述。所以自適應控制、反饋線(xiàn)性化控制以及滑膜變結構控制等都為電動(dòng)機的非線(xiàn)性控制提供了方式。自適應控制研究對象具有一定的不確定性，包括描述被控對象、環(huán)境數學(xué)模型的不確定性，以及一些未知因素和隨機因素。這些不確定性有時(shí)是在系統內部，而有時(shí)卻在系統外部發(fā)生。從內部來(lái)講，描述被控對象的數學(xué)模型起結構與參數就具有很大的不確定性，而這種基于數學(xué)模型的控制方法在電動(dòng)機自適應控制中得到了很好的發(fā)揮。反饋線(xiàn)性化控制的整體較為精確，適合系統的整個(gè)分析域�；ぷ兘Y構控制能偶使系統結構隨時(shí)變化的開(kāi)關(guān)特征，但當系統再不同滑膜軌跡中時(shí)，頻率切換可能伴隨著(zhù)高頻的抖動(dòng)。
二、交流電動(dòng)機的無(wú)源性控制原理分析
2.1 系統無(wú)源性
無(wú)論是哪種機械系統，如果沒(méi)有外界能量加以支持，其動(dòng)能與勢能之和總是趨近于零的，且其系統速度、位移也是趨向于零的。簡(jiǎn)單了說(shuō)，系統穩定時(shí)，如果缺少外界能量注入，系統指揮消耗能量，而這種能量不可能放大，而只要停止向外界或者內容注入能量，系統的能量之和必將趨近于零，以此來(lái)達到穩定的狀態(tài)。對于非線(xiàn)性系統來(lái)說(shuō)，公式中，u、y分別表示尾數相同的系統輸入與輸出，其中f(0)=0，h(0)=0.
另外，系統的無(wú)源性還是反應電機在運行過(guò)程中所消耗的能量特征。對于一般的能量供給量來(lái)說(shuō)，考慮s(u，y)為單位時(shí)間內以外不注入能量為輸出輸入信號函數，那么耗散的計算方法則為：
v(x(T))-v(x(0))≤
2.2 能量成形與無(wú)源性
因考慮到電機系統的能量成形與無(wú)源性，通過(guò)成對的變量uRm、yRm與外界相連，其結果滿(mǎn)足能量平衡方程。
H[x(t)] H[x(0)] =
該方程表示系統存儲的能量與外界供給能量和系統耗散的能量差相等。而公式中的H(x)表示訥訥過(guò)量存儲函數，xRn表示狀態(tài)向量，d(x(t)，t)表示具有耗散效應的非負函數。滿(mǎn)足能量平衡方程式的系統屬于無(wú)源性控制系統，且H(x)≥c，此時(shí)的c就表示能量函數的下界，y則表示無(wú)源輸出。具體如圖1所示。
2.3 感應電動(dòng)機的無(wú)源性控制原理
感應電動(dòng)機是交流電動(dòng)機非線(xiàn)性、多變量以及強耦合特點(diǎn)表現明顯的一個(gè)典型，近年來(lái)，隨著(zhù)非線(xiàn)性控制理論深入廣泛的研究，使得感應電機控制成為主導潮流。為了克服反饋線(xiàn)性化、無(wú)源性控制等需要考慮奇異點(diǎn)的問(wèn)題，無(wú)源性控制利用輸出反饋使得電機閉環(huán)系統表現為無(wú)源映射，從上面所提到的電機能量方程入手，采用不影響其穩定性的無(wú)功力簡(jiǎn)化控制器設計。此時(shí)，坐標的變化并不影響系統的無(wú)源性，所以，選擇不同的輸出函數與能量函數，設計出多種無(wú)源性控制，來(lái)實(shí)現對系統的全局穩定性控制。
三、交流電動(dòng)機的自適應L2擾動(dòng)抑制控制技術(shù)
進(jìn)行交流電動(dòng)機調速時(shí)，常常會(huì )遇到因負載轉矩存在擾動(dòng)或者電機參數時(shí)變等因速度影響電動(dòng)機的調速。此時(shí)，如果僅僅適應狀態(tài)誤差PCH控制方法，往往達不到理想的效果，而采用無(wú)源性控制與自適應L2擾動(dòng)抑制技術(shù)結合的方式，能夠有效提高控制效果，達到所需性能要求。在電動(dòng)機負載擾動(dòng)但參數無(wú)變化的情況下，利用L2增益擾動(dòng)抑制和狀態(tài)誤差PCH控制結合可以推算出速度控制器;而當發(fā)生負載轉矩存在擾動(dòng)或者電機參數時(shí)變是，就要通過(guò)自適應L2擾動(dòng)抑制和狀態(tài)PCH相結合的頒發(fā)來(lái)求得速度控制器。
當系統無(wú)緣時(shí)，供給量s(u，y) = yTu就是耗散的，因此系統的供給量就是s(u，y) = γ22-2是耗散的，此時(shí)γ為整數，那么就說(shuō)無(wú)源系統有小于整數γ的L2增益。
針對異步電動(dòng)機傳動(dòng)系統而言，通過(guò)建立異步電動(dòng)機端口受控哈密頓系統模型，來(lái)構建閉環(huán)狀態(tài)誤差PCH系統。在互聯(lián)和阻尼配置能量成形方法的基礎上得到負載轉矩恒定控制器，如果想要單純依靠這些方法來(lái)控制系統是不可能的。針對異步電動(dòng)機傳動(dòng)系統中的負載轉矩存在的擾動(dòng)問(wèn)題，我們通過(guò)在異步電動(dòng)機PCH控制的基礎上，采用L2增益控制方式設計控制器，對負載轉矩擾動(dòng)進(jìn)行抑制，同時(shí)這種方式也能很好的消除穩態(tài)誤差引入PI控制。根據相關(guān)仿真結果顯示，所提出的這種控制方式，具有高效的轉速跟蹤性能和負載擾動(dòng)抑制功能，是異步電動(dòng)機現代非線(xiàn)性控制的一種有效途徑。
而對于永磁同步電動(dòng)機而言，針對PMSM速度控制負載擾動(dòng)及參數時(shí)變的問(wèn)題，可以利用狀態(tài)誤差PCH控制原理來(lái)設計系統速度控制器。與此同時(shí)，結合永磁同步電動(dòng)機狀態(tài)誤差PCH控制，通過(guò)自適應L2增益擾動(dòng)抑制功能，對負載轉矩及參數時(shí)變擾動(dòng)進(jìn)行抑制。仿真結果顯示，利用L2擾動(dòng)抑制技術(shù)可以有效的抑制系統負載擾動(dòng)，在PMSM定子電感、電阻變化情況下，也可以使用自適應L2擾動(dòng)抑制控制技術(shù)，減少電機參數時(shí)變和負載擾動(dòng)帶來(lái)的影響，進(jìn)一步加強對電機轉速的控制。
四、結束語(yǔ)
隨著(zhù)交流電動(dòng)機的運用越來(lái)越廣泛，怎樣有效的控制電機成為了領(lǐng)域內關(guān)注的焦點(diǎn)。本文介紹了交流電動(dòng)機的無(wú)源性控制和擾動(dòng)抑制技術(shù)，利用公式和仿真結果證明了無(wú)源性控制與能量成形的關(guān)系，并得出L2擾動(dòng)抑制技術(shù)可以有效的抑制系統負載擾動(dòng)。
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